工业锅炉化学除垢案例研究

福建省特种设备检验研究院 汪建光

1 引言

结垢现象十分普遍，广泛的存在于自然界、日常生活和各种工业生产的过程中，尤其在电力、石头开采、钢铁、化工、矿山工业等以水为载体的系统中的输送管道、泵、阀等设备的器壁上，严重影响着生产的正常进行。锅炉和热交换设备中的水垢会降低传热效率，增加热损失，增加水的流动阻力，迫使锅炉降负荷运行，能引起锅炉水冷壁管的过热，导致管子鼓包和爆管事故的发生，也会导致金属发生沉积物下腐蚀，另外结垢的集存堵塞而减小流通面积、引起整个换热器流动阻力的增大。这些都无形中增加了设备的运行和维护成本，造成资源的浪费。

锅炉所结的污垢来自水中的杂质，其中，悬浮物质、胶体物质可直接沉降附着于受热表面结垢，溶解物质中的钙、镁、铁、铜等杂质可通过热分解或沉积成垢。锅炉金属被腐蚀后形成的腐蚀产物密度不足钢铁的1/2，传热能力更差，也是主要的污垢。因此，能引起锅炉腐蚀的酸、碱、氧和游离二氧化碳等也是致污的杂质[1]。

污垢的形成过程是由下述两个相互竞争的过程来完成的。第一个过程是沉积过程，包括垢粒从主流液体向表面输送的过程和污垢成长过程。第二个过程是沉淀物质形成粒状或粒子簇或片状后，由于流动剪应力或温差应力的作用从表面脱除的过程。就垢层的宏观特性而言，这两个过程竞争的结果就产生了各种结垢形态[2]。

污垢的防治包括物理和化学的方法。化学清洗方法又分为四大类[3]：酸洗法、碱洗法、络合剂清洗法、专用溶剂清洗法。对于锅炉用水的防垢技术包括锅外水处理技术：水的预处理、软化、除氧、除盐；锅内水处理技术：纯碱处理法、磷酸盐处理法、天然碱处理法，以及其他水处理技术：锅内加复合防垢剂处理法、锅内加合成有机防垢剂处理法[4～6]。在清洗污垢的过程中，不同情况下污垢的种类存在很大差别，情况很复杂，只能对具体情况作具体分析。

2 某厂锅炉酸洗除垢案例

某厂的型号为D Z L 4-1.25-WⅡ3锅炉，额定蒸发量为4t/h，额定压力为1.25MP a，锅炉产生的蒸汽主要用于制鞋生产用汽。经对该厂的锅炉锅筒内结垢情况的检查，发现锅筒、管板、水管、集箱、烟管水垢厚度达1.0mm～2.0mm、局部甚至达到3.0mm～5.0mm，锅炉现已发生锅筒鼓包、水冷壁管爆管等事故。为了保证锅炉的安全经济运行、节能降耗，在制定清洗方案的基础上，对该锅炉进行化学清洗。

采用化学清洗的过程，本质上是化学清洗剂在与之相接触的污垢表面进行溶解，同时向污垢内部渗透，减小污垢自身各个颗粒间的结合力以及污垢与设备基体间的结合力，使污垢溶解或者松散脱落而除去的过程。为了实现清洗的目的，除了完成这个本质的清洗过程之外，还要有其他一些相应的辅助过程。

3 锅炉化学清洗除垢过程

通过分析该锅炉的结垢情况，判定该锅炉的垢主要是以硅酸盐垢为主的复合型垢，主要成分为CaSO4、CaSiO3等，垢层厚而致密,在盐酸溶液中难以溶解,酸洗前需要利用NaOH和Na2C O3混合溶液进行碱煮，以达到松脱、溶胀、转化水垢和除硅的目的。对于硫酸钙垢，主要是碳酸钠起作用；对于硅酸盐垢,主要是氢氧化钠起作用[7]。主要反应如下：

经过上述反应后，硅酸盐垢转化为可溶性硅酸盐，难溶于酸液的硫酸盐垢转化为易溶于H C 1的碳酸盐垢。然后，利用盐酸的溶解和机械剥离作用除去附着在炉管表面的水垢，主要反应如下：

最后，残留的碳酸钙垢可利用磷酸钠和氢氧化钠溶液煮炉除去，在锅炉水沸腾和碱性较强的条件下，发生以下反应：

式(8)生成的碱式磷酸钙是一种松软的水渣，易随锅炉排污排除，且不会粘附在锅内形成二次水垢[8]。磷酸钠和氢氧化钠溶液同时可以起到钝化的效果。

研究表明[9,10]，清洗高硅垢的酸洗溶液浓度一般不高于10%，清洗温度不高于70℃，清洗时间不超过50h。另外，在配置酸洗清洗液[11]时，还需要添加一些辅助清洗剂，如表面活性剂、渗透剂等。

在表1所示化学清洗工艺条件下，制定了如下清洗过程，见图1：

表1 化学清洗工艺条件

图1 化学清洗过程

配制煮炉药剂→锅炉进行碱煮转型→水冲洗至中性→配制酸洗药剂→锅炉进行酸洗→分路进行循环清洗→进行化学监督→放酸洗液同时用大量的水冲稀，并用片碱进行中和处理→用水冲锅筒至中性→打开人孔、手孔清理锅炉内的水垢→检查锅炉化学清洗的效果→封人孔、手孔→配制钝化药剂→锅炉开始钝化→检查化学清洗的效果。

整个化学清洗过程共用时五天，在化学清洗的过程中随时监测各种数值的变化，对产生的问题进行及时的记录和分析，根据需要及时的调整方案，有效地应对各种状况、防止事故的发生。

4 检查除垢效果

停炉检查，由于锅炉结垢多，造成左侧联箱和锅筒排污管堵塞，清理下来的垢厚约有3～8mm，清除附着在管壁及锅筒内残留的垢，在金属表面层上有一层良好的钝化膜，酸洗时的金属腐蚀速度小于6g/(m2h)。化学清洗后检查结果如下：

1）锅炉内表面基本无水垢。从图2所示锅炉除垢前后对内表面的实拍照片，对比可以看出，锅内受热面结垢较多，基本覆盖全部钢管表面，除垢之后则基本无水垢，除垢效果良好。

除垢前的锅内结垢情况除垢后的锅内结垢情况图2：锅筒内表面除垢情况对比

2）大量水垢脱落并得到清除。图3所示为化学清洗之后的表现，可以看出，从后侧联箱流出的清洗水所含水垢浓度很高，对清洗过程中脱落下来的大量水垢实现了清除，管内表面干净。图3中还可看出，从锅筒排污管排出的冲洗水颜色深黑，水中含有稠密的污垢，清洗效果相当明显。

从后侧联箱清洗下来的水垢情况（还没有用水清洗）化学清洗后用水清洗从锅筒排污管排出的冲洗水图3：化学清洗表现

3）锅筒内无浮锈。锅炉原来的垢下腐蚀之外，锅筒内没有产生新的蚀锈。

4）锅筒内金属表面钝化膜良好完整，没有产生二次锈蚀和点蚀。漂洗结束后，加入氨水调整p H值为9.3-9.8，加入钝化剂，进行循环钝化，钝化约5h后快速排放钝化液，化学清洗全过程才结束。钝化处理使锅炉表面形成良好钝化膜，可以有效的防止锅炉运行期腐蚀。

5）根据锅炉化学清洗过程中悬挂缓蚀试片[12,13]指示，本锅炉化学清洗期间酸洗的金属腐蚀速度为2.04g/(m2h)（见表2），远远低于TSGG5003-2008《锅炉化学清洗规则》规定的清洗质量要求6g/(m2h)。

清洗评价检查锅炉及酸洗效果，以达国家相关标准为宜，做出锅炉化学清洗评价报告，交相关单位审核并给出合理意见。最终，锅炉内水垢的总去除率达80%以上，取得了令人满意的除垢效果，完全达到了预期目的。

表2 金属腐蚀速度情况表

5 锅炉除垢和安全经济运行的建议

1）在锅炉清洗前，一定要作出清洗规划；在清洗工程中，甲乙两方必须密切配合；在安装临时管线、阀门、仪表时特别要注意安全，以防在清洗时破坏；严防药剂渗漏；若出现问题应立即采取防治措施。清洗结束后，应对汽包和联箱、管道中的污物、泥渣、沉积物等彻底清理清洗，废液排除一定要按综合环保标准处理。

2）按照所采用的酸洗方法准备防护用具和安装循环管道等设备，同时可进行酸洗前锅炉的冲洗工作，先冲净炉内水渣及泥垢，以节约酸液，提升酸洗效果。必须准备足够量的配药及冲洗用水，以免由于酸洗过程水量不足而影响酸洗工作的顺利进行；同时还要对酸的浓度和质量进行检查，以免混有其它酸和药剂。

3）腐蚀速度测定。为有效地监测整个低压锅炉在化学清洗中的腐蚀情况，应根据国际统一的ASTM方法，利用标准腐蚀试片进行过程的腐蚀速度测定，以达到国家标准≤10g/(m2h)，并力争达到国际标准≤3.37g/(m2h)。

4）对该厂蒸汽锅炉的给水，恢复原软化器装置，按照G B 1576《工业锅炉水质》国家标准的要求，加强锅炉水质的化学监督管理，进行正常的锅内加药处理，制订相应的锅炉水处理操作规程。

5）开展日常的锅炉水质化验，否则锅炉很容易再次结生大量水垢，这不仅增加燃料的消耗，还会危及锅炉设备的安全、经济运行。

6 结论

本文针对某厂锅炉结垢是以硅酸盐垢为主的复合型垢的特点，制定了相应的工艺条件和清洗方案，进行化学清洗后进行了清洗评价，得出以下结论：

1）采用该清洗方案下的工艺条件进行清洗后，锅筒内壁洁净，并形成了一层良好的钝化膜，可以有效的防止锅炉运行期腐蚀。

2）锅炉清洗均匀彻底，无明显腐蚀现象产生。根据锅炉化学清洗过程中悬挂缓蚀试片指示，腐蚀速度达到国家标准，在同类锅炉的化学清洗过程中有一定的参考价值，能够指导实践。

[1]李茂东，杜玉辉，赵军明.工业锅炉除垢技术现状与展望.清洗世界.2006，22(11)：33-36

[2]魏刚，熊蓉春.热水锅炉防腐阻垢技术.北京：化学工业出版社，2002

[3]陈旭俊.工业清洗剂及清洗技术.北京：化学工业出版社，2002

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[6]王艳芬.工业锅炉水垢的化学清洗.内蒙古石油化工.2008，(4)：52-53

[7]窦照英.实用化学清洗技术.北京：化学工业出版社，2001

[8]肖作善.热力设备水汽理化过程.北京：水利电力出版社，1990

[9]王朝阳.工业锅炉硫酸盐硅酸盐复合垢的化学清洗.2010，26(2)：17-19

[10]朱新民.浅谈锅炉硅酸盐水垢的去除方法. 化学工程与装备.2008，4(4)：55-56

[11]孙克敏.配制混酸酸洗剂清除锅炉高硅垢. 化学清洗.1995，6(2)：22-25

[12]南京林业大学.腐蚀监测技术.南京，1995

[13]李久青，杜翠薇.腐蚀试验方法及监测技术.北京：中国石化出版社，2007